Full Text

Качество изготовления зубчатых передач существенно влияет на эксплуатационные свойства элементов машин и механизмов. Одной из областей применения механизмов зубчатых передач в редукторах является вертолетостроение. Одной из заключительных стадий производства редуктора является термическая обработка деталей, которая предполагает упрочнение поверхности деталей. Однако, как показывает опыт [1, 2], после термообработки происходит необратимое изменение геометрических размеров и деталь перестает удовлетворять геометрическим размерам, указанным в конструкторской документации, и следовательно, расчетным показателям прочности, надежности и долговечности. Цель исследования. Цель исследования состоит в том, чтобы выявить законы, по которым смещается центр распределения значений отклонения геометрических размеров, указанных в конструкторской документации, так как это позволит увеличить точность изготовления, улучшить соответствие деталей конструкторской документации, а значит, и расчетным показателям прочности, надежности, долговечности. Кроме того, в этом случае увеличится ремонтопригодность деталей, снизятся металлопотери при производстве деталей, что, в свою очередь, повысит экономичность производства. Материал и методы исследования. В работе проведен анализ результатов экспериментальных исследований, проведенных при производстве и термической обработке спирально-конического колеса редуктора, которые показали, что после термической обработки отклонение монтажного размера диска редуктора от расчетного имеет нормальный закон распределения. При этом среднее отклонение с наиболее высокой частотностью - это 1,57 мм, а по внутренней длине - 1,68 мм. Применены методы термической обработки, а именно: - предварительная закалка при температуре 870 °С с отпуском при температуре 500 °С; - меднение; - цементация при температуре 870 °С и отпуск при 650 °С; - деталь размедняют и отправляют на закалку при температуре 830 °С; - обработка холодом и отпуск. На всех этапах термической обработки наблюдается изменение размеров и деформация формы как в процессе нагрева, так и при охлаждении. В качестве предположения причин деформаций при термообработке в ходе исследования было предложено численное моделирование процесса обработки с учетом термоупругих напряжений, а также структурных превращений и возможных изменений механических свойств материала. Все отклонения расположены со смещением эксцентриситета в сторону от нулевого значения. Отклонения, полученные после термообработки, составляют приблизительно 55 % от допуска. Рис. 1. Схема спирально-конического зубчатого колеса: 1 - внутренняя длина; 2 - монтажный размер [3] При расчете температурного поля применяем математическую модель поля нагревательного диска. Используемая модель основана на численном решении уравнения нестационарной теплопроводности, в котором учитывается симметрия поля температуры относительно продольной оси диска: (1) где T - температура; t - время; ρ, С, λ - массовая плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность стали; Q - теплота, сопровождающая процессы превращения в стали; r, z - координаты вдоль радиуса и продольной оси диска. На поверхности диска используется граничное условие (2) где αк - коэффициент теплоотдачи конвекцией от потока греющих (охлаждающих) газов или жидкостей к поверхности диска; TG - температура греющей среды; Tпов - температура поверхности диска, принимаемая одинаковой вдоль всей поверхности валка; σ - коэффициент теплообмена излучением. Система уравнений (1), (2) дополняется начальным условием (3) Решение системы уравнений (1)-(3) осуществляется с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности и удельной теплоемкости от температуры с использованием известных экспериментальных данных для данной стали. Определение термических напряжений в диске редуктора в процессе термообработки осуществляется в соответствии с основными положениями теории термовязкоупругости [4]. Уравнения (1)-(3) дополняются уравнением равновесия (4) и уравнением взаимосвязи средних значений деформаций и напряжений с локальным изменением температуры (5) где N, ε, σ - средние значения деформаций и напряжений, ; τ - время релаксации, определяемое по формуле Френкеля: t = , где η - коэффициент вязкости стали; G - модуль сдвига; Е - модуль упругости, ν - коэффициент Пуассона. Решение системы уравнений (1)-(5) при известном изменении поля температур позволяет рассчитать компоненты тензора деформаций при соблюдении условия симметрии всех переменных относительно продольной оси диска. Детальное изложение методики расчета термических напряжений в нагреваемых деталях представлено в работе [5]. Результаты исследования и их обсуждение. После проведения численных расчетов в программных комплексах Deform-3D [6] и ANSYS [7-9] с учетом только термообработки (рис. 2 и рис. 3 соответственно) согласно технической документации было получено увеличение всех размеров образца примерно на 0,3 мм. Увеличение размеров сохранялось при различной густоте сетки. Таким образом, значения деформаций при численном расчете получились одного порядка с данными экспериментальных исследований, однако численная модель не выявила «раскрытия» венца, а показала только объемное расширение всего образца. Полученные данные соответствуют простейшему случаю теплового расширения, т.е. изменению размеров тела при изменении его температуры. Рис. 2. Поля деформации при численном моделировании в программном комплексе Deform-3D Было выдвинуто предположение, что на опускание и «раскрытие» венца спирально-конического диска редуктора вертолета влияет положение детали в печи при термообработке. В случае приложения силы тяжести к детали были получены результаты, схожие с экспериментальными: опускание и «раскрытие» венца. Порядок деформаций также соответствует экспериментальным данным (рис. 4). Рис. 3. Поля деформаций при численном моделировании в ANSYS Как было показано выше, изменение геометрии детали может быть связано с положением детали в печи, т.е. «раскрытие» венца диска происходит исключительно из-за его большего веса относительно валовой части диска и под силой тяжести. В этом случае следует изменять положение детали в печи от этапа к этапу для равномерного изменения размеров детали. Правильный подбор процесса изменения положения в печи положительно повлияет на «раскрытие» конуса диска, а значит, уменьшит отклонение геометрических размеров от конструкторской документации. Рис. 4. Поля деформации при численном моделировании термообработки при учете сил тяжести в ANSYS Специализированные устройства для закалки металлических изделий повышают качество термообработки за счет уменьшения коробления изделий. Фиксирование изделия осуществляется непосредственно после нагрева, а при охлаждении изделие освобождают от фиксации. Недостатком устройства является тот факт, что фиксация производится только на отдельных этапах термообработки, т.е. после нагрева. Но если до фиксации или после освобождения изделия происходит коробление, то оно непременно сохраняется после термообработки, что ухудшает качество готового изделия. Заключение. В работе выполнено моделирование процесса термообработки с учетом сил тяжести заготовки кривозубой конической передачи промежуточного редуктора вертолета. Предложены следующие меры предупреждения изменения геометрических размеров деталей после термообработки: расчет начальной геометрии с помощью специальных пакетов, изменение положения детали в печи, подбор новой схемы процесса термообработки, - которые позволят повысить прочность и долговечность деталей. В предположении значительного действия собственного веса массивной части конического колеса было принято решение моделировать процесс термообработки в программном комплексе ANSYS с учетом собственного веса детали [10-12]. Результаты численного анализа показали, что на уровень и распределение деформаций спирально-конического зубчатого колеса действительно существенно влияет собственный вес колеса редуктора, а также недостаточный контур кожуха закрепления при термообработке. Полученные в работе численные результаты адекватны теории [13, 14] и эксперименту и могут быть использованы для усовершенствования процессов термообработки деталей промежуточного редуктора вертолета [15]. Показана необходимость изменения формы и контура кожуха закрепления редуктора при термообработке с целью уменьшения влияния собственного веса конического колеса редуктора на необратимые изменения геометрии детали при термообработке.

About the authors

E. V Kuznetsova

Perm National Research Polytechnic University

N. S Podkina

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 73

PDF (Russian) - 29

Refbacks

• There are currently no refbacks.